直流输电和FACTS课程学习

自然功率对于无损耗线路，在传输自然功率时，线路单位长度电感内吸收的无功功率恰好等于单位长度的电容容纳所放出的无功功率，即线路各处无功功率保持平衡，使得线路首端到末端的功率、电压都相等如果输送功率大于自然功率时，单位长度电感吸收的无功将大于电容所放出的无功，导致线路无功不足，末端电压将会降低；反之，当输送功率小于自然功率时，单位长度电感吸收的无功将小于电容所放出的无功，导致线路无功剩余，末端电压将会升高。对于远距离交流输电线路，由于稳定条件限制，使得线路传输功率往往达不到自然功率。第1页/共48页第一页，共49页。1。高压直流输电（HVDC）输电方式的发展电力工业萌芽阶段，以爱迪生（1847～1931）为代表的直流派主张从发电到输电都采用直流，以西屋（1846～1914）为代表的交流派则主张从发电到输电都采用交流。由于多台发电机同步运行问题的解决以及变压器、三相感应电动机的发明和完善，交流系统在经济技术上优越性日益突出，以致取得主导地位。如今，直流输电技术进一步发展，优势也逐步体现，HVDC（HighVoltageDirectCurrent）在世界各大电力系统中应用渐增，使得现代电力系统成为交流中包含直流输电系统的交直流混联系统。我国第一条大型直流输电线路工程－葛洲坝到上海±500kV、1080km高压直流输电线路已于1990年投入运行第2页/共48页第二页，共49页。

所谓直流输电是将发电厂发出的交流电用整流器变换成直流，经直流线路送至受端，再经逆变器变换成三相交流后送往用户。第3页/共48页第三页，共49页。直流输电系统的原理接线图（双极）换流器换流阀阀阀臂第4页/共48页第四页，共49页。换流站把三相交流电变换成直流电的换流站逆变站：把直流线路送来的直流电变换成交流电的换流站整流站：极：换流站与直流线路的连接端点第5页/共48页第五页，共49页。

特点

只输送有功功率，不输送无功功率

换流阀在运行时，它对交流、直流系统两侧都将产生谐波在换流站两侧均必须采用滤除谐波的措施∴第6页/共48页第六页，共49页。

优点1.当输送功率相同时,其线路造价低线路：2根架空线路杆塔结构较简单线路走廊较窄2.当输送功率相同时,其功率损耗小第7页/共48页第七页，共49页。三相交流输送功率:

双极直流导体允许通过的交流电流有效值当时直流对地电压导体允许通过的电流第8页/共48页第八页，共49页。

优点1.当输送功率相同时,其线路造价低3.两端交流电力系统不需要同步运行,

输电距离不受电力系统同步运行稳定性的限制4.直流线路的电压、电流、功率的调节比较容易和迅速2.当输送功率相同时,其功率损耗小第9页/共48页第九页，共49页。

优点5.可以实现不同频率或相同频率交流系统之间的非同步联系6.直流输电线路在稳态运行时没有电容电流

沿线电压分布平稳线路电压降较小（仅电阻性压降）线路部分不需要无功补偿装置第10页/共48页第十页，共49页。直流输电的主要用途1.远距离大功率输电2.海底电缆送电3.不同频率或相同额定频率非同步运行的交流系统之间的联络4.用地下电缆向用电密度高的城市供电第11页/共48页第十一页，共49页。一.直流输电的接线方式

单极直流输电

单极两线直流输电

双极直流输电第12页/共48页第十二页，共49页。1.单极直流输电特点:

结构简单，经济

地电流对地下埋设设备的金属物腐蚀严重第13页/共48页第十三页，共49页。阳极(铁)阴极不腐蚀阴极第14页/共48页第十四页，共49页。2.单极两线直流输电

无大地回流所造成的腐蚀问题第15页/共48页第十五页，共49页。3.双极直流输电第16页/共48页第十六页，共49页。直流输电的基本原理最简单的直流输电系统，它由直流输电线路、两端的换流站组成。换流站中主要设备有：换流器、换流变压器、平波电抗器、交流滤波器、直流滤波器、无功补偿设备和断路器。功率传输从交流系统1开始，经整流变压器送入整流器变成直流；然后通过直流输电线路送至逆换流器，变成三相交流后再经逆换流变压器送给交流系统2。显然，直流线路输送的完全是有功功率。第17页/共48页第十七页，共49页。换流变压器的作用是通过调节其变比可方便地控制系统的运行状态。滤波器的作用是抑制换流器运行时产生的谐波电压和谐波电流，以保证电能质量。平波电抗器（电感值很大）的作用是减小直流线路中的谐波电压和谐波电流；保证直流电流在轻负荷时的连续，在直流线路发生短路时限制整流器中的短路电流峰值。无功补偿装置的作用是为换流器提供无功电源，因为换流器运行时需要从交流系统吸收大量的无功功率，其稳态时吸收的无功约为直流线路输送的有功的50％，暂态过程更多。第18页/共48页第十八页，共49页。换流器的功能是把三相交流电变换成直流电或直流电变换成三相交流电，前者称为整流，后者称为逆变。相应的换流设备称为整流器和逆变器。换流器中最基本的元件是阀元件，现代高压直流输电系统所用的阀元件为普通晶闸管。为了满足所需的电压和电流需要，用于直流输电的换流器可由一个或多个换流桥串并联组成，换流桥为三相桥式换流电路，有6个桥臂，桥臂由阀元件组成。

第19页/共48页第十九页，共49页。可控硅导通条件1.阀承受正向电压2.控制极得到触发脉冲信号1.阀承受反向电压2.电流过零可控硅导通后关断条件第20页/共48页第二十页，共49页。假设1）三相电源对称2）平波电抗很大,负载电流Id无纹波3）可控硅阀K1~K6为理想状态导通时压降为零，关断后阻抗为无穷大4）换流变压器的等值电感Lc=0，则换相可以瞬时完成第21页/共48页第二十一页，共49页。第22页/共48页第二十二页，共49页。触发延迟角α=0时（阀阳极电压一旦高于阴极电压，便立即在阀控制极上加触发脉冲，使阀立即导通。α＝ωτ

）：第23页/共48页第二十三页，共49页。K5K6导通—K5断开—K1开通—K6K1导通—K6断开—K2开通—K1K2导通

六组轮流导通过程演示第24页/共48页第二十四页，共49页。每一可控硅导通时间为1200电角度，每组可控硅导通时间600电角度。六组轮流导通K5、K6K1、K6K1、K2K3、K2K3、K4K5、K4第25页/共48页第二十五页，共49页。第26页/共48页第二十六页，共49页。触发延迟角α≠0时（阀电压为正后延迟一段时间τ再加触发脉冲，即阀延时导通。α＝ωτ

）：第27页/共48页第二十七页，共49页。第28页/共48页第二十八页，共49页。直流输出电压平均值Vdr第29页/共48页第二十九页，共49页。直流输出电压随控制角的增加而减少当α由0→900时，Vdr由Vd0→0；有功功率从交流系统流向直流系统，换流器为整流状态当α由900→1800时，Vdr由0→－Vd0

；有功功率从直流系统流向交流系统，换流器为逆变状态第30页/共48页第三十页，共49页。尽管直流系统只输送有功功率，但同时整流器（其α∈[00,900]）和逆变器（其α∈[900,1800]）都要从交流系统吸收无功功率。Ptdc＋jQtdc为直流系统从交流系统抽出功率，Pts＋jQts为交流系统注入功率。第31页/共48页第三十一页，共49页。换流器只能单相导通，交流系统1向交流系统2输送电能时，C1相当于电源，C2相对于负载，设直流线路电阻为R，可知线路电流为：输送和接收的功率为：直流线路电阻所消耗功率为：Pd1－Pd2多桥换流器基本方程（输出的直流电压与交流电压及触发角的关系）第32页/共48页第三十二页，共49页。对于实际电路中Lc不为0，相电流不能瞬间突变，换相是个渐变的过程，需要一定换相期，所对应的电角度为换相角γ；熄弧角定义为δ＝α＋γ；对于逆变器用另外两个角度：触发超前角β＝π－α熄弧超前角μ＝π－δ第33页/共48页第三十三页，共49页。直流系统电压、电流的调节可以采用以下两种途径。调节触发滞后角α（整流器）或熄弧超前角μ（逆变器）。即通过加到控制极(或控制栅)的控制脉冲的相位对电压、电流进行调节，这种调节称控制极调节。调整换流变压器的分接头改变变压器变比kT，以及改变交流系统电压Vt1、Vt2

。这种方法调节速度慢，只做为辅助的调节手段。第34页/共48页第三十四页，共49页。可见直流输电线路输送的电流和功率由两端的直流电压所决定，与两端交流系统的频率和电压相位无关。因此可直接通过调节换流桥的触发角（α1、μ2）来快速（可达1～10ms）调整两端直流电压的大小，进而调整传输电流和功率。这样，由于没有稳定性约束，而且这种调整过程完全是由电子设备完成的，因此比交流输电方式更迅速，而且调整幅度更大。可长距离输送大容量的电能。电力系统发生紧急功率缺口时应对更灵活快捷。电力系统暂态过程中，当快速大幅度调整输送功率时，交流系统的原动机并不立即承担全部功率增量，只是系统频率发生相应变化。系统1频率下降，系统2频率升高，相当于先将系统1中所有转动设备的动能转化为电能传输给了系统2，系统1的频率可以在随后增加原动机出力后逐渐恢复。第35页/共48页第三十五页，共49页。直流输电的主要优点线路造价低。导线电流密度相同的情况下，输送同样的功率三相交流输电需三根导线，而直流输电仅需两根导线。因而节省了材料，并减少了线路功率损耗（约少1/3)交流输电的主要问题之一是稳定性问题，大容量长距离输电将使线路建设投资大大增加。直流输电不仅不存在稳定性问题，与交流输电线路并列运行时还能提高交流系统的稳定性。直流输电系统可以联结两个不同步或者频率不同的交流系统。系统运行的稳定性电力系统中的各同步发电机只有在同步运行(即所有发电机以相同的速度旋转且转子相对角差较小)状态下，才能使送出的电功率为定值，并维持系统中任何点的电压、频率和功率潮流为定值。如果某些发电机之间不能维持同步运行，其送出的电功率以及相应节点的电压及相应线路的潮流将发生大幅度的周期性振荡，如果失去同步的机组之间不能迅速恢复同步，系统的供电质量就无法继续保证，即电力系统失去了稳定运行的状态。第36页/共48页第三十六页，共49页。利用现代控制技术，直流输电通过对换流器的控制可以快速地（毫秒级）调整线路上的功率，从而提高交流系统的稳定性。无充电电流，不需为了抑制容性电压升高而并联电抗器补偿。这点对于海底电缆长距离输电意义特别重要。可限制短路电流，线路短路暂态过程中电流不会超过2倍额定直流值第37页/共48页第三十七页，共49页。直流输电的主要缺点换流站造价高要消耗较大的无功功率换流装置在交流侧和直流侧都要产生谐波电压和电流，使变压器和电容器产生附加损耗和发热，并对控制和通信带来干扰没有过零点，熄弧困难，还没有成熟的高压直流断路器第38页/共48页第三十八页，共49页。直流输电的主要缺点：换流站的投资大。然而增加的这部分投资可因线路投资小而得到补偿。交、直流系统输电功率相同的情况下，直流输电达到一定距离时，建设换流站多花费的投资恰好被直流输电线路节省的投资完全补偿，则称这个距离为交、直输电的等值距离。随着电力电子技术的进步，直流输电技术的关键元件换流阀的耐压值和过流量大大提高，造价大幅下降，直流输电经济性优势日益显著。第39页/共48页第三十九页，共49页。高压直流输电主要用于:远距离大功率输电；海底电缆输电（如向海岛输电）；通过地下电缆向大城市供电；交流系统互连。不同额定频率系统间或非同步运行的系统联络（既要实现联网又要保持各自相对独立性）；配合新能源发电。如风力发电、太阳能发电等这些发电方式不能保证工业频率，需先整流成直流传输然后逆变成工频交流，以实现与交流系统并联运行交直流混联系统潮流计算数学模型基本思路是先将所有换流器及其后的直流系统用从换流器所连接的直流节点抽出或注入的功率Ptdc＋jQtdc等值，从而使混联系统等效成为一个纯交流网络，然后用纯交流系统的潮流计算方法求解第40页/共48页第四十页，共49页。2。柔性交流输电系统（FACTS）对于新建输电线路，可采用HVDC解决长距离大容量输电问题，但对于现有交流输电系统，应该尽可能提高其输电能力。由于已建成的输电系统中交流线路远远多于直流线路，因而对现有交流线路进行性能改进比新建直流线路经济上更可行。柔性交流输电系统（FlexibleACTransmissionSystem）也称柔性输电技术或灵活输电技术，是指利用大功率电力电子元器件构成的装置来控制或调节交流电力系统的运行参数或网络参数从而优化电力系统的运行状态，提高电力系统输电能力的技术。是综合电力电子技术、微处理和微电子技术、通信技术和控制技术而形成的用于灵活快速控制交流输电的新技术。显然HVDC也满足这一定义，但HVDC本身已发展成为一项专门的输电技术，故FACTS一般不包括直流输电技术。柔性交流输电系统的建设，并非要毁掉原有的输电系统，而是在原有的交流输电系统中根据需要选择利用灵活

交流输电系统技术及功率电子设备，加以逐步改造形成柔性交流输电系统。第41页/共48页第四十一页，共49页。FACTS产生和应用背景电力负荷不断增长使现有输电系统在现有的运行控制技术下已不能满足长距离大容量输送电能的需要环保的需要使得架设新输电线路受到线路走廊短缺的制约，因此挖掘已有输电网络的潜力提高其输送能力更为行之有效大功率电力电子元器件制造技术日益发展，价格下降，使得FACTS经济技术上成为可能计算机和控制技术的发展为FACTS发挥其快速、灵活的调整控制作用提供了有力支持上世纪八十年代中期，美国电力科学研究院（EPRI）N.G.Hingorani博士首次提出FACTS概念：应用大功率、高性能的电力电子元件制成可控的有功或无功电源以及电网的一次设备等，以实现对输电系统的电压、阻抗、相位角、功率、潮流等的灵活控制，将原基本不可控的电网变得可以全面控制。从而大大提高电力系统的高度灵活性和安全稳定性，使得现有输电线路的输送能力大大提高。第42页/共48页第四十二页，共49页。FACTS的作用对已建成的不包含柔性输电设备的传统电力系统而言，输电线路的参数是固定的，系统运行时可快速调整控制的主要是发电机的有功功率和无功功率。而对于输电网络而言，尽管可以通过串联电容补偿以减小线路电抗值，安装并联电容器或电抗器、静止并联补偿器和有载调压变压器等以控制节点电压，利用移相器以改变线路两端的电压相位差，但由于这些设备相应控制操作都是通过机械装置完成，调整速度和效果难以满足系统暂态过程中的要求。因此传统电力系统对输电网络参数基本没有快速灵活的调整手段。第43页/共48页第四十三页，共49页。输电线路输送电能存在热稳极限，这主要由导线截面积决定；另外还存在交流系统同步运行稳定极限，它与全系统网络结构、运行方式、控制手段等诸多因素有关。传统电力系统由于缺乏对输电网络快速灵活的控制手段使得线路的同步稳定极限通常远小于热稳极限，这就意味着传统输电线路的输送电能能力并没有充分发挥。FACTS正是基于这一事实，在输电网络中引入由电力电子元器件构成的装置，以实现对输电网络的快速灵活控制，从而与对发电机的各种快速控制相匹配以提高已有输电网络的输电能力。第44页/共48页第四十四页，共49页。柔性交流输电系统的主要功能有如下几点：能在较大范围有效地控制潮流；线路的输送能力可增大至接近导线的热极限，例如：一条500kV线路的安全送电极限为1000~2000kW，线路的热极限为3000kW，采用FACTS技术后，可使输送能力提高50%~100%；备用发电机组容量可从典型的18%减少到15%，甚至更少；电网和设备故障的危害可得到限制，防止线路串级跳闸，以避免事故扩大；易阻尼消除电力系统振荡，提高系统的稳定性。第45页